TWI590839B - 具生物選擇性之表面結構 - Google Patents

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Description

具生物選擇性之表面結構 相關申請案
本申請案主張2012年1月24日提交之美國臨時申請案第61/589,907號之優先權，其全部內容以引用方式併入本文。
本揭露內容提供在基板上包含表面結構之可植入式醫療裝置，當植入宿主組織時，該表面結構與存在於宿主組織中之液體創建出界面。於某些實施例中，該植入物有利地防止或減少不欲有之組織黏連、細菌生長和/或生物膜形成，同時促進所需之宿主組織黏附或長入。
凱西(Cassie)-巴克斯特(Baxter)模型描述固體之具有結構的表面與水在氣態環境中之交互作用。此模型中係將空氣捕捉在具有結構之表面的微槽中，讓水滴停留在包含空氣的化合物表面上及微小凸出之頂端。多種結構尺度間之分形維數的重要性是公認的，且有許多方法係基 於該分形貢獻(即，不同結構尺度之間的維數關係)。然而，不管所使用之材料(有機或無機)及該表面結構和之幾何構造(顆粒、棒陣列或孔)，多重結構尺度加上低表面能量對取得所謂之超疏水性表面是必要的。
與水之接觸角度顯示出大於以平滑但強烈疏水之物質所取得之接觸角度的物質被另外報導為超疏水性。對於超疏水性物質之最小接觸角度的共識為150度。
疏水性表面會排拒水。表面之疏水性可經由，例如測定水滴在表面上之接觸角度來測量。該接觸角度可在靜態或動態下測量。動態接觸角測量可包括相對於黏著物種(諸如水滴)測定前進接觸角或後退接觸角。前進和後退接觸角之差異小(即低接觸滯後角)的疏水表面呈現臨床上令人滿意的性能。與具有高接觸角滯後現象之表面相比較，水可以較容易地穿過具有低接觸角滯後現象之表面，因此，接觸角滯後之幅度可等同於將物質移動穿過表面所需的能量。在臨床應用中，接觸角與植入物在原位之移動性有關。
表面結構研究之來自自然界的傳統動機為蓮花葉子，其超疏水性係由於凸細胞乳頭之遞階多層次結構及隨機取向之疏水蠟小管(其與水具有高接觸角及低接觸角滯後現象，並顯示出強大的自潔性能)。來自自然界之較少為人知的動機為紅玫瑰花瓣，其凸細胞乳頭之遞階多層次結構具有沿圓周方向設置及軸向定向之脊(其具有中等接觸角和高角接觸差異)的裝飾。
接觸角為直接與植入物表面接觸之水量的測量值，而接觸角滯後現象為水在表面上移動程度的測量值。這些狀態中每個狀態的進化動機截然不同。在蓮花及植物葉子的情況中，一般而言，與水的接觸最少及高水流動性造成水偏向黏附顆粒污染物，當水流下時顆粒污染物便從葉片清除。這可用來減少由表面污染物吸收之光的量，並增加光合效率。在玫瑰花瓣及植物花瓣的情況中，一般而言大部分傳粉者被提供易於接近，但不會淹沒昆蟲的高張力水源吸引。因此，其中植物中之進化刺激為生殖者，搭配高接觸角滯後現象的高接觸角為較佳者，而其中進化刺激為代謝和生長者，搭配低接觸角滯後現象的高接觸角為較佳者。
考慮單一結構尺度時，當水被放在具有結構之表面上時，其可安放置結構之尖峰上或毛細吸入凹谷處。前者稱為凱西(Cassie)狀態，後者稱為文策爾(Wenzel)狀態。當文策爾(Wenzel)狀態占優勢時，當表面粗糙度增加時接觸角和接觸角滯後現象兩者皆增加。然而，當粗糙因子超過臨界水準時，接觸角的繼續增加，而滯後現象開始減少。此時，該主導之潤濕行為改變，因為被捕捉在表面與水滴之間的界面處之空氣的量增加。
在植物世界中，諸如上文所討論之蓮葉葉子或玫瑰花瓣，大多數具有結構之表面出現在疏水性之基板上。然而，當疏水性流體取代水時，凱西(Cassie)狀態可輕易地被轉換到文策爾(Wenzel)狀態。情況並非總是如 此，而是取決於該疏水性物質之蒸汽壓力和黏度，以及被捕捉在表面結構中的空氣消退的速度有多快。
在可植入式醫療裝置中使用具微構造之表面結構(諸如在自然界中所發現者)或其它具顯微構造之表面以調節該裝置之疏水性，從而調節組織和細菌黏著是有利的。
可以理解的是，前文中關於本揭露內容之實施例的一般描述及下文中之詳細描述旨在提供用於理解本揭露內容所主張之性質和特性的概述或框構。該描述係用於解釋所主張之標的物的原理和操作。熟習本技藝之人士在閱讀下列揭露內容後將可輕易明白本揭露內容之其他和進一步之特徵及優點。
本揭露內容之方法和實施例可應用於可吸收及永久性植入式材料，其中可吸收之材料為較佳者。該材料可用於可植入式醫療裝置中。
本揭露內容之一種實施例提供可植入式醫療裝置，其基板上包含至少兩種表面結構，其中在植入宿主組織時，該表面結構與存在於宿主組織中之液體形成界面，其中第一表面結構捕捉介於該裝置與組織之間的空氣來形成第一界面；第二表面結構不會捕捉介於該裝置與組織之間的空氣來形成第二界面；其中該界面具有至少5度之接觸滯後角。
本揭露內容進一步關於生理上可吸收的、非纖維生成性、親水性材料，其在第一時程之間藉由加入表面結構而被製成相當疏水。或者，本揭露內容關於生理上可吸收的、通常為纖維生成性、疏水性材料，其在第一時間期之間藉由加入表面結構而被製成相當親水。
本揭露內容關於親水性之可植入式、可吸收且可能膨脹，甚至在原位溶解之板，藉由加入疏水性表面結構可降低原位吸收或保形變換之速率。或者，本揭露內容關於不會在體內快速吸收之疏水性植入式板，其藉由加入親水性表面結構而變成吸收更迅速。
本揭露內容關於包含表面結構之可植入式裝置，該表面結構在哺乳動物體內偏好某種物質或存活結構超過其他物質或存活結構。例如，藉由此處所描述之裝置可達到表面過濾效果，其中第一物質或結構與植入物之接觸較另一物質或結構更緊密。該緊密程度之特點係由交互作用之空間尺度說明。
尤其是，本揭露內容描述一種表面過濾效果，其中排拒在基板植入物之同一側或相對側上的具某種尺度或極性特性之物種、吸引具另一尺度或極性特性之物種，或兩者都被排拒，或兩者都被吸引。例如，植入物可能包含其中細菌被排拒、組織組分被吸引的一側，而另一側為細菌被排拒且組織組分被排拒。
本揭露內容進一步提供可植入式材料，其包含當接觸到哺乳動物體內之含水環境時最先創建凱西 (Cassie)和文策爾(Wenzel)狀態的結構。於進一步之實施例中，可植入式材料包含在一段時間後創建類似文策爾(Wenzel)和凱西(Cassie)之狀態的結構，該可植入式材料包括固體親水相、液體疏水相及液體親水相。在這些經修改之文策爾(Wenzel)和凱西(Cassie)狀態中，該類似於傳統氣相之被捕捉的相為液體疏水相。於其它實施例中，可植入之材料包含稍後以液體疏水相取代氣體的結構。
於其他實施例中，本揭露內容提供可植入式可吸收板(包含可能在宿主組織中膨脹或甚至溶解之親水性基板)，藉由添加疏水性表面結構可降低其在宿主組織中之吸收或保形變換速率。
本揭露內容進一步提供包含在體內不會迅速吸收之疏水性基板的可植入式可吸收板，且其可藉由添加親水性表面結構而成為快速吸收。
在此處所揭露之醫療裝置的特定實施例中，當裝置之外表面在宿主組織中經由水解或酶促降解作用移除時，文策爾(Wenzel)狀態較凱西(Cassie)狀態佔優勢的情況，或相反的情況，或其類似情況可作為時間函數逐步形成。
在此處所揭露之醫療裝置的特定實施例中係創建過濾效果，且排拒在植入物之同一側或相對側上具某種尺度或極性特性之物種並吸引另一尺度或極性特性之物種，或兩者都被排拒，或兩者都被吸引。例如，第一側排拒第一組織組分且吸引第二組織組分，且其中第二側排拒 細菌且排拒組織組分。
於特定實施例中，該第一表面結構吸收速率係經過選擇，以減輕組織黏連和細菌定植，尤其是在第一時間期形成生物膜，並在第二時間期變成平滑、親水、吸收迅速及非纖維化之材料。
於特定實施例中，該基板之表面電荷及表面能量出現增強，從而使水可總是結合至基板表面，即使任何特定水分子均可能在表面上短暫停留。
於特定實施例中，該可植入式醫療裝置之表面均隔離蛋白質黏連，也由於水分子隨機附著表面/從表面脫附而能自行清洗。
於特定實施例中係在細菌株落上誘導出折疊或滾動效果，從而使該外部生物膜層封裝及排拒從醫療裝置之表面逐漸形成的菌落。
800‧‧‧具有結構之表面
801‧‧‧組織
802‧‧‧突起
804‧‧‧突起
806‧‧‧水層
808‧‧‧凹谷
810‧‧‧空氣
812‧‧‧脂質
814‧‧‧蛋白質
816‧‧‧折疊
900‧‧‧具有結構之表面
901‧‧‧組織
902‧‧‧凹陷
903‧‧‧突起
904‧‧‧凹陷
906‧‧‧水層
908‧‧‧脊
910‧‧‧空氣
912‧‧‧脂質
1000‧‧‧具有結構之表面
1002‧‧‧第一尺度脊
1004‧‧‧第二尺度脊
1006‧‧‧水層
1008‧‧‧通過毛細管作用
1010‧‧‧排水
1100‧‧‧具有結構的表面
1102‧‧‧第一尺度柱狀物
1104‧‧‧第二尺度柱狀物
1106‧‧‧空間
1108‧‧‧水
1110‧‧‧水
1112‧‧‧空間
1114‧‧‧水
1200‧‧‧凱西(Cassie)濕潤結構
1201‧‧‧組織
1202‧‧‧第一尺度突起
1204‧‧‧第二尺度脊
1300‧‧‧細胞分類表面
1302‧‧‧中心
1304‧‧‧中央凹坑
1306‧‧‧脊
1308‧‧‧列
1310‧‧‧平行結構
1312‧‧‧徑向結構
1400‧‧‧具有結構之表面
1402‧‧‧六角形凹陷
1404‧‧‧相對狹窄之脊
1406‧‧‧同心脊
1408‧‧‧花瓣結構
1410‧‧‧圓周脊
1412‧‧‧圓脊
1414‧‧‧循環節
1416‧‧‧細微尺度脊結構
1500‧‧‧抗微生物表面
1502‧‧‧凹陷
1504‧‧‧脊
1506‧‧‧圓脊
1508‧‧‧正弦脊
100‧‧‧可植入式假體
102‧‧‧微米尺度構造
104‧‧‧突起
106‧‧‧凹陷
108‧‧‧基板
110‧‧‧奈米尺度構造
112‧‧‧突起
114‧‧‧凹陷
200‧‧‧同心圓構造
202‧‧‧第一突起
204‧‧‧第二突起
206‧‧‧第一凹谷
208‧‧‧第二凹谷
210‧‧‧峰
212‧‧‧谷
230‧‧‧橢圓形構造
300‧‧‧平面板
302‧‧‧奈米尺度之結構
304‧‧‧滾筒
306‧‧‧微米尺度之結構
308‧‧‧漸伸線結構
第1圖擁有遞階多層次表面之本揭露內容的可植入式假體之一般視圖。
第2A圖最大連通結構C=1之示意圖。
第2B圖連通結構C=0.25之示意圖。
第2C圖最小連通結構C→0之示意圖。
第3A、B圖本揭露內容之可植入式假體的製造方法。
第4圖謝爾賓斯基(Sierpinski)墊片表面結構 之實例。
第5圖阿波羅(Apollonian)墊片表面結構之實例。
第6圖擴散限制聚集之表面結構的實例。
第7圖柯赫(Koch)雪花表面結構之實例。
第8圖製成疏水性以減少異物反應之可吸收、親水性可植入式裝置之實例。
第9圖製成疏水性以降低吸收速率之可吸收、親水性可植入式裝置之實例。
第10圖製成親水性以減少異物反應之可吸收、疏水性可植入式裝置之實例。
第11圖製成親水性以增加吸收速率之可吸收、疏水性可植入式裝置之實例。
第12圖具有至少一側立即組織黏連之可植入式裝置的實例。
第13圖具有細胞類型過濾效果表面之可植入式裝置的實例。
第14圖具有組織類型過濾效果表面之可植入式裝置的實例。
第15圖具有細菌黏連抗性之可植入式裝置的實例。
根據本揭露內容之實施例的細節，下文中列 舉一或多個實例。各實例係用於解釋本揭露內容之材料和可植入式醫療裝置，而非用於限制。事實上，熟習本技藝之人士將清楚明白在不悖離本揭露內容之範圍或精神的情況下可以對本揭露內容之教示內容作各種修改和變化。例如，作為一個實施例之一部分的特性說明或描述可與另一實施例一起使用，以再產生另一實施例。
因此，本揭露內容欲涵蓋在所附之申請專利範圍及其同等項之範圍內的修改和變化。本揭露內容之其它目的、特性和觀點揭示於下列詳細描述中且可從這些描述中顯明。本技藝之一般技術人士理解目前的討論僅為示範性實施例之描述，而不欲用來限制本揭露內容之更廣泛之面向。
本揭露內容提供可植入式醫療裝置，其基板上包含至少兩種表面結構，其中在植入宿主組織時，該表面結構與存在於宿主組織中之液體形成界面，其中第一表面結構捕捉介於該裝置與組織之間的空氣以形成第一界面；且第二表面結構不捕捉介於該裝置與宿主組織之間的空氣來形成第二界面；其中該界面具有至少5度之接觸滯後角。該醫療裝置可能包含表面結構材料，或者該醫療裝置可能包含其上設置著表面結構材料之其他本技藝中常用的材料。該表面結構係指設置在基板材料中之微型結構或圖案，例如下述方法中所描述者。於特定實施例中，該表面結構包含遞階多層次結構。
於特定實施例中，該接觸滯後角係在至少5 度至約90度之範圍內。於其它實施例中，該接觸滯後角係在至少5度至約75度之範圍內，而於進一步之實施例中，該接觸滯後角係在約10度至約75度之範圍內。
於另一實施例中，在植入後一段時間後，該界面包含：a)固體親水相、b)液體疏水相及c)液體親水相。再於另一實施例中，該如申請專利範圍第1項之可植入式醫療裝置，其中該被捕捉之空氣在一段時間後被液體疏水相取代。例如，該一段時間可能為約5分鐘至12小時，或更具體地說，約5分鐘至約6小時，或約30分鐘至約6小時。
於另一實施例中，該表面結構包含親水性可吸收材料，其中該親水性可吸收材料藉由該表面結構而成為親水性較差，且該表面結構降低該醫療裝置在宿主組織中的吸收或保形變換(conformal change)速率。於其他實施例中，該表面結構包含疏水性可吸收材料，其中該疏水性可吸收材料藉由該表面結構而成為疏水性較差，且該表面結構增加該醫療裝置在宿主組織中的吸收或保形變換速率。
於其他實施例中，至少一種表面結構包含可吸收材料，其中該至少一種表面結構係經由吸收改質，從而使該至少一種表面結構在該醫療裝置被吸收時變得較濕潤或較不濕潤。
再於進一步之實施例中，該表面結構在宿主組織中之吸收速率減輕在第一時間期之間的組織黏連、細 菌定植和/或生物膜形成，且其中該表面結構在第二時間期之間變成光滑、親水性、迅速吸收及非纖維化材料。例如，第一時間期可能為約5分鐘至約6小時、或約10分鐘至約6小時、約10分鐘至約3小時、或約10分鐘至約30分鐘，而第二時間期可能為約30分鐘至約12小時、約30分鐘至約6小時、約1小時至約6小時，或約3小時至約6小時。
於某些實施例中，至少一種表面結構包含為10奈米至1微米之較小間距，而另一種表面結構包含為2微米至100微米之較大間距，其中該較小表面結構係設置在較大表面結構上，從而提供遞階多層次構造。於一些實施例中，該較小表面結構捕捉空氣，而該較大表面結構不捕捉空氣。於一不同的實施例中，該較大表面結構捕捉空氣，而該較小表面結構不捕捉空氣。該由此形成之界面部分取決於該間距尺寸、結構圖案和/或用於製備該表面結構之基板材料(如下文中之更詳細的描述)。於一特定之實施例中，該第一界面排拒來自第一宿主之物質黏附，而該第二界面促進來自第二宿主之物質黏附。例如，該來自第一宿主之物質可能是微生物，而來自第二宿主之物質可能是宿主細胞。於另一實例中，該來自第一宿主之物質為蛋白質，而來自第二宿主之物質為宿主組織。於另一實例中，來自第一宿主之物質為宿主組織，而來自第二宿主之物質為內皮細胞。
於進一步之實施例中，在植入宿主組織中 時，至少一種表面結構之表面電荷增加，從而使水在宿主組織中更強烈地結合該基板表面，但不那麼強烈結合以防止結合該基板表面之水分子與周圍的水交換。例如，水層可能會黏附在該裝置之表面上，且相對於包含該基板，但無表面結構之裝置，該水層降低蛋白質分子吸附在該具有結構之表面的速率。此外，水層可能黏附在該裝置之表面結構上，如此，相對於無表面結構之裝置，該水層降低蛋白質分子吸附在該具有結構之表面的速率。
於特定之實施例中，其中該基板為多孔基板。例如，該基板可能包含三維互連之孔。
於一些實施例中，該第一表面結構在植入宿主組織時形成凱西(Cassie)狀態，且該第二表面結構在植入宿主組織時形成文策爾(Wenzel)狀態。於進一步之實施例中，至少一種該表面結構包含包埋在基板中並從基板突出之纖維，且該纖維在至少一個與該裝置上之其他表面結構之間距不同的空間尺度上至少分叉一次。再於另一實施例中，至少一種該表面結構包含包埋在該基板中之兩端的纖維，該纖維從基板突出且該纖維形成環並具有至少一種與該醫療裝置上之其他表面結構之間距不同的直徑。
於某些實施例中，該表面結構可能包含或類似於某些數學分形形狀。例如，於一些實施例中，至少一種表面結構包含柯赫雪花圖案、謝爾賓斯基墊片圖案、阿波羅墊片圖案或擴散限制聚集圖案。
於某些實施例中，前述之可植入式醫療裝置 包含兩側(諸如板構造)，其中該二側具有不同的表面結構圖案。於一實施例中，該表面結構與存在於宿主組織中之液體形成界面，其中至少一種表面結構捕捉介於該裝置與組織之間的空氣，且至少一種其它表面結構不捕捉介於該裝置與組織之間的空氣，且其中由此產生之界面在該裝置之一側上產生至少5度之接觸滯後角(例如，該接觸角滯後程度可為至少5度至約90度、至少有5度至約75度，或約10度至約75度)，並在該裝置之另一側上產生小於5度之接觸滯後角(例如，約0.1至小於5度之角度，或更特別地，約0.5至小於5度，或更特別地，約0.5至約3度)。
應該理解的是，本揭露內容之結構不欲為嚴格超疏水性，且不應被限制在該基礎上。例如，典型之親水性材料可經由加入表面結構而變得更加疏水性，但這類添加不要求表面為超疏水性(按通常的定義)。
雖然不受限於任何特定理論，該可植入式醫療裝置可進一步藉由下文描述之原則的解釋來理解。水滴在平滑表面上之接觸角係由包含該平滑表面之分子的電子結構支配。由單獨之電子結構造成之最高接觸角為約120度。高表面能量物質趨向降低與極性物質(諸如水)之接觸角。當水散佈在固體表面時，其增加其自身之表面能量來支付降低該固體之表面能量。該淨結果為相對於該固體與水分開時的表面能量，該固體與水之組合的總表面能量減少。
不與固體接觸時，水在球體形狀時為其最低能量狀態。較低之表面積等同於較低之表面能量，且對指定體積而言，球狀相當於具有最小表面積的形狀。具有低表面能量之固體不會造成水在其表面上擴散(增加其表面積)，因為使水擴散在固體上所需增加之能量超越在固體表面可用的能量。由氟原子和碳原子組成之分子通常具有某些最低表面能量，例如CF3基團具有6.7毫焦耳/米2之低表面能量。具有較低表面能量之表面被定義為超疏水性，與水之接觸角大於150度。為了取得這些高接觸角，必須使固體表面具有結構。
表面能量量化當創建表面時分子間鍵結之破壞程度。在固體物理學中，表面必須為本質上較材料主體較無能量偏好，否則欲創建之表面將有移除材料主體之驅動力。在生物可吸收之材料方面，與表面能量相比較，主體能量相當高，而溶解表面的能量低於表面能量。因此，對於該可吸收材料具有吸收之驅動力。這些材料必須具有相當高之表面能量以促進與體內之水的交互作用。另一方面，高表面能量物質促進蛋白質和細胞黏附，造成所謂之異物反應和微生物定植。高異物反應造成發炎和纖維化。因此，本揭露內容採用具有高表面能量之親水性材料，其藉由採用遞階多層次表面結構而被製成更疏水(但通常不為超疏水性)且不易發生細菌定植。
負責表面粗糙效果之機制係藉由文策爾(Wenzel)，及稍後之凱西(Cassie)和巴克斯特(Baxter)處 理。水與平滑表面之交互作用的特徵為Young氏角度θy。藉由Young方程式量化理想之平坦固體的可潤濕性，cosθy=(γs-g-γl-s)/γl-g，其中γs-g,γl-s，及γl-g分別代表固體-氣體(s-g)，液體-固體(l-s)及液體-氣體(l-g)界面之界面張力。
在具有結構之表面方面，有對應於水填充間隙位置之第一水接觸狀態(文策爾(Wenzel))及氣體被水層捕捉在間隙位置中之第二水接觸狀態(凱西(Cassie))。在具有多個表面結構空間尺度之經結構處理的表面方面，較大尺度之結構有可能在文策爾(Wenzel)狀態中與水形成接觸，而較小尺度之結構可能在凱西(Cassie)狀態中與水形成接觸。此種混合之水接觸表面狀態通常被稱為凱西(Cassie)可濕性狀態。
文策爾(Wenzel)狀態之特性說明可藉由推論Young方程式取得。為了做到此點，我們定義表觀接觸角θa，並藉由以下公式將θa與θy相關聯，cosθa,w=r cosθy，其中γ被稱為“粗糙度因子”且定義為在粗糙表面之實際接觸面積對接觸平面中之投影接觸面積的比率。
凱西(Cassie)狀態之特性說明可藉由推論 Young方程式達成。為了做到此點，將凱西(Cassie)狀態中之表觀接觸角θa與表觀接觸角θy相關聯，cosθa,c=r f cosθy+f-1，其中f代表被液體潤濕之投影面積的分數。
這些方程式將表面能量與處於平衡狀態之固體/液體界面的幾何學相關聯。在植入物之環境中，沒有什麼是靜態的，不同化學組成之布朗(Brownian)運動負責與表面重複聯結和分離。其中表面之一部分或全部為可吸收時，該表面本身可能改變。
當形成固體/液體界面之能量與分離液體/固體界面之能量不同，則其接觸角不同，此種差異稱為接觸角滯後現象。此處定義之接觸角滯後現象為聯結和分離接觸角之間的差異。此種滯後現象的發生係由於廣範圍之“亞穩”狀態，此“亞穩”狀態可在相界面處之液體表面張力與固體表面交互作用時觀察到。
本揭露內容揭示一種可吸收的，抗細菌定植且可逆式地黏連在組織上之植入物。凱西(Cassie)可濕性狀態之黏連觀點為其中將水與表面聯結之能量小於分離該界面所需之能量，即使是在全部表面能量均相當低的情況中(高接觸角)。接觸角滯後現象係經由讓一種粗糙尺度為文策爾(Wenzel)，而另一粗糙尺度為凱西(Cassie)來取得。此情況稱為“花瓣效應”。
相反地，當所有粗糙尺度均為凱西(Cassie)(非潤濕性)且材料均為疏水性時，則該材料通常為超疏水性。在此情況下，形成液體/固體界面需要較凱西(Cassie)可濕性狀態多得多之外部能量，且液體/固體接觸之聯結及液體/固體接觸之分離大約同樣地不利(低接觸角滯後現象)。此造成“蓮花效應”(其中液體/固體界面包含低表面積形式且容易分離)。超疏水性表面不黏附至組織。
因此，蓮花(凱西(Cassie))和花瓣效應(凱西(Cassie)可濕性)可藉由以下等式說明特徵：cosθa=Q1 cos θ1±Q2 cos θ2其描述表面異質性對接觸角之影響。在此程式中，θa(該表觀角度)為該兩種表面之粗糙尺度的接觸角加權平均值。此方程式可推廣至任何數量之尺度層次。數量Q1和Q2代表各粗糙尺度被固體/液體界面覆蓋之表面部分以接觸角θ1和θ2表徵。當θ1-θ2大(接觸角滯後)時，θa說明花瓣效應之特性且一般為黏連。當θ1-θ2小時，θa說明蓮花效應之特性且一般為排拒。
鑑於這些方程式，我們第一次推衍出用於描述可濕性凱西(Cassie)狀態之方程式。在花瓣狀態方面，θ之一為θac(凱西(Cassie))，另一θ為θaw(文策爾(Wenzel))，而在蓮花狀態方面，二個θ均為θac(凱西(Cassie))。例如，設定θ1=θac且θ2=θaw，則完整之方程 式為cosθa=Q1 cosθac±Q2 cosθaw=Q1(r f cosqy+f-1)±Q2(r cosqy)現在，注意該接觸角係藉由a)包含該表面之物質的疏水性/親水性(表面電子結構)和b)其結構二者決定。上述方程式假設該固體表面包含單一物質，且僅代表該表面結構之遞階多層次結構。
現在考量同時具有遞階多層次表面結構及表面疏水性之遞階多層次變化的固體表面。因此，該表觀角度θac或θaw為構造尺度和表面電子構造二者之函數。因此，當θac(空間)=θac(電子)
θaw(空間)=θaw(電子)時，空間構造與電子構造是可以互換的。θa(空間)僅取決於Young方程式，因此，第一次，該表觀接觸角之最普遍的方程式為cosθa=Σi=1,n[Qi(ri f i cosθyi+f i -1)]±Σi=n+1,m Qi(r i cosθyi)。此方程式對本揭露內容之植入物的設計具關鍵性。
在該植入物的環境中，固體表面係藉由相對兩親性之水性成分改質。該植入物/組織界面張力可藉由添加兩親性成分，由兩親性蛋白質吸附在植入物上來改 質，且可藉由Gibbs吸附程式說明，該Gibbs吸附程式藉由Γs=-(1/k B T)(dγ/d lnc p )。將表面過量濃度Γs與界面張力γ相關聯。其中cp為表面蛋白質濃度，T為溫度且κB為波茲曼(Boltzmann)常數。
當cp超過臨界密度時，l-g或l-s界面之蛋白質單層變成飽和，因為γl-g或γl-s未改變。體內成分無法進一步減低γl-s以滿足條件，γl-s<γs-g(飽和時)，因此該表面保持在疏水範圍內。既然l-s界面在l-g界面飽和之前飽和，體內成分之接觸角降低係受表面張力(γl-g)控制。一般而言，接觸角滯後現象隨著表面蛋白的濃度增加而增加。然而，如同聯結接觸角，當cp接近關鍵蛋白密度時，接觸角滯後逐漸發展成與表面蛋白的濃度無關。
因此，我們取得其中蛋白黏連之機率等於蛋白釋出之機率的平衡之蛋白濃度。儘管黏連蛋白成分與植入物表面聯結，該植入物表面成為自我清潔。這些組成蛋白與植入物表面結合之短暫不穩定使植入物無法支持細菌定植，同時提供足夠之蛋白質黏連以指引組織通過植入物生長，若該植入物為多孔的，則釋出組織向內生長到植入物之間質空間，若該植入物為無孔的，則使組織不再黏連。
本揭露內容針對在植入物條件下改造產生文策爾(Wenzel)和凱西(Cassie)狀態之表面結構效應，尤其是，使花瓣和蓮花效應(尤其是可濕性凱西(Cassie)和乾性文策爾(Wenzel)狀態)適合植入物環境。因此，除了其中使用聚合物主動捕捉植入物表面之氣態外(諸如碳氟化合物)，不能依賴氣態來創建所需之體內狀態。生物流體完全不為同質的，且包含離散之親水性和疏水性組成分、懸浮之大分子和幾種大小尺度之次細胞、細胞及組織結構。
本揭露內容教示使用由表面結構誘導之狀態來組織液態生物介質之成分的方法和裝置。這些方法包含使用分級遞階多層次表面幾何學、分級遞階多層次表面區域、疏水性/親水性及氣相黏連之分級遞階多層次區域。
根據本揭露內容，提出使用空間上遞階多層次之表面，在幾何學方面，其為尺度範圍在幾十微米到幾奈米之線性和分形配置的表面。考慮到只有個別之遞階多層的最外面部分是潤濕的(接觸水)，這類構造之特徵應為固體和身體水液之間的有效接觸表面非常小，甚至低於該塗層表面之1%。
應理解的是，在任何層次下，與水聯結之百分比為關鍵，而不是與水聯結之量的絕對值，如此，在各種細尺度下，與表面交互作用之水量可能非常小，但相對於該與表面構造交互作用之特定尺度的水之百分比大為相關。相反地，在其中空氣在初始時被捕捉之非接觸區域中，脂質成分被優先吸引，尤其是組織成分，其取代被空 氣佔據之區域。
於本揭露內容之至少一種實施例中係使其中供微生物黏附之表面積和異物反應顯著減少。當脂質膜黏附時，結果為該脂質膜作為低能量表面，其在能量上不利於蛋白質黏附及微生物定植。尤其是，可植入板之一側可擁有使植入物定位在組織中之凱西(Cassie)可濕性狀態，另一側可擁有抵抗組織黏連之純凱西(Cassie)狀態。
於另一實施例中，該基板材料之一側上可能具有可被相當迅速地吸收且親水的材料層，而另一側為可被相當緩慢地吸收且疏水的材料層，從而使該二側之結構在一側產生凱西(Cassie)可濕性狀態，並在另一側產生超疏水性純凱西(Cassie)狀態。
於另一實施例中，本揭露內容之組織黏連表面在水的存在下自發地結合組織。不欲受理論之約束，現已有報導疏水鍵合係基於極長程之吸引力。這些力量係由於脂質分離導致存在於植入部位之體液中的類似相之轉變。這種變化之特點為突然、強大的吸引力及形成脂橋。與此對比之描述為具長程吸引力之可植入物。
於本揭露內容之另一實施例中係採用這類介於具有構造之植入物表面與組織之間的吸引力以將植入物結合(可逆地)至外科手術部位。
於另一實施例中，該植入物之表面結構可能經過選擇以誘導過濾效果，其中某些分子、細胞構造或組織組分被吸引，而其他被排拒，而此吸引/排拒效應在不 同之表面結構空間尺度間有所變化。此過濾效果可用來將體內通常均勻之組成分局部分離，其中該分離係發生在植入物表面之不同層。
本揭露內容之表面無論是純凱西(Cassie)、純文策爾(Wenzel)或凱西(Cassie)可濕性、或類似狀態均擁有低表面能量，且細菌與組織或其本身結合之親和力為能量上有利地超越結合至植入物表面。更具體地說，若微生物定植在植入物表面，則能量上不利於保護性生物膜散佈。因此，逐漸發展之生物膜將傾向成為球形，其使生物膜表面變成封裝菌落並減少與植入物表面之接觸面積。
於另一實施例中，該植入物在細菌菌落上產生折疊或滾動效果，從而使該外生物膜層封裝並排除逐漸發展之菌落。
本專利介紹使用由非連通(密閉之小室)粗糙性元件組成之結構化表面來防止水滴從凱西(Cassie)狀態轉變到文策爾(Wenzel)狀態的概念。凱西(Cassie)-Wenzel轉變之阻力可藉由使用具有奈米構造(而不是微米構造)非連通元件進一步提高，因為阻力與粗糙性元件之維度為負相關。
本揭露內容之一些實施例的觀點之一為與維度相等之柱狀表面相比較時能增加水滴轉變到文策爾(Wenzel)狀態之阻力的凹下或壓下的表面。被捕捉在非連通坑洞內之空氣及由坑洞邊界和角落所提供之流體運動之阻力為對轉變到文策爾(Wenzel)狀態之阻力增加及體內黏 連增加的兩個來源。
較佳地，本揭露內容之壓下或凹面結構表面具有分形結構或遞階多層次結構，其中第一階層形式係位於塗層基板旁，而各連續階層形式係位於上一階層形式之表面上且較高階層形式的形狀重覆該較低階層的形狀，且該結構包含具有至少兩層壓下分層之形式。
本揭露內容之生物相容植入物的基板為帶有可能為一或多個奈米尺度之結構及至少一個微米尺度之結構的聚合材料，該奈米尺度之結構具有10至幾千奈米之維間隔，而該微米尺度之結構具有10至約100微米之維間隔。較佳地，該聚合物材料加熱時可熔化，但不會在溶劑中分解或溶解，從而使該結構可能在熔融狀態下雕花或在溶劑態中鑄造。
一般而言，結構係指拓樸圖及多孔性元素，包括表面上之高起和凹下，以及聚合物表面體積中之質量分佈和包含該表面之層的體積中之質量分佈。該聚合物層可能由多種聚合物類型製成，且可能包含其他包埋在聚合物中並促成拓樸圖形成之材料。例如，非聚合性或聚合性纖維或顆粒可能分散在聚合物基板之表面，該基質本身可能包含更多相位或組分。尤其是，在哺乳動物體內之吸收速率較聚合物本體慢，從而在溶解過程中保存所需結構一段延長期間之組分。或者，這些較慢吸收之元素被均勻地包埋在聚合物基板中或在數層上，從而在溶解過程中呈現數種不同之拓撲學。
本揭露內容之具有結構的植入物可具有許多如下文中具體指明之變體和組合：該植入物可具有同質之體相組成，其中溝槽、脊、突起或凹陷係位在植入物之表面上的至少兩種空間尺度上。該植入物可具有帶有三維互連孔隙之多孔基板。該植入物可具有在植入物表面上帶有互連通道或非互連凹陷之固體基板。該植入物可具有雕花在較大尺度之第二結構上的較小尺度之第一結構，或遞階分層佈置之這類結構。該植入物可具有雕花在為凸面且這類結構相通或為多層次排列之第二較大尺度結構上的第一較小尺度結構，該第一較小尺度結構為凹面且不相通。該植入物可具有雕花在第二較大尺度之文策爾(Wenzel)結構上的第一較小尺度結構凱西(Cassie)，或相反的情況。該植入物可具有以台階狀輪廓佈置在較大尺度之突出的溝槽或脊。該植入物可具有半開放式結構，其中該遞階多層次結構位於交叉元素上，從而使該半開放式結構本身包含一個結構。該植入物可具有包埋在聚合物基板中，從聚合物基板中突出之纖維，該纖維可依佈置在壁虎腳上之纖維式樣在許多空間尺度上分叉。該植入物可具有兩端連接聚合物基板之纖維，從而決定具有至少兩個長度尺度之環、該環的半徑。該植入物可為上述植入物之任何組合。
交互作用之規模係由該可植入式裝置之表面結構界定，該表面結構通常為遞階多層次且其特徵為具有至少兩種空間尺度，一為微米(micrometer)(微米(micron))階層且另一為奈米階層。該表面結構可能誘導出在前與後 接觸角之間有很大差異(接觸角滯後)的狀態，或另一具有小的接觸角滯後現象之狀態。所欲之狀態，或其原位類似狀態分別被稱為文策爾(Wenzel)和凱西(Cassie)狀態。每一遞階多層次之空間尺度可能分別誘導出文策爾(Wenzel)或凱西(Cassie)狀態，因而多重空間尺度可能產生其組合。
這些狀態為三相位現象，通常包含該表面結構之維數所介導的固體、液體和氣體接觸。由於該氣體組分最終經由組合液體蒸發入氣態域及氣體溶解入液體域而在活體內消散，凱西(Cassie)狀態最終在活體組織中演變成文策爾(Wenzel)狀態。
本揭露內容關於可植入式材料，其包含當暴露於哺乳動物體內之含水環境中時最初創建凱西(Cassie)和文策爾(Wenzel)狀態的結構。這些狀態在原位演變，且其演化之類似物與典型之文策爾(Wenzel)和凱西(Cassie)狀態的不同處在於其涉及固體親水相、液體疏水相及液體親水相、或固體疏水相、液體親水相，以及液體疏水相。在這些經修改之文策爾(Wenzel)和凱西(Cassie)狀態中，該類似於典型氣相之被捕捉的相為液體疏水相。另外，被捕捉之氣相較宜被液體疏水相所取代。
凱西(Cassie)和文策爾(Wenzel)現象係在三種相位彼此接觸時發生。在體內，各別狀態導致植入物上形成液態疏水性薄膜並保持在凱西(Cassie)狀態中，及將組織(含油脂)保持在文策爾(Wenzel)狀態中。這些為臨床上 有用之特性。
在凱西(Cassie)狀態中，該植入物對細胞和細菌黏著具抗性。在文策爾(Wenzel)狀態中，該植入物可逆式地黏附於組織。在混合之凱西(Cassie)-文策爾(Wenzel)狀態中，其中一種結構尺度為文策爾(Wenzel)，而另一為凱西(Cassie)，該植入物可同時侷限在組織表面並對抗細菌定植和組織黏著。植入物之相對側可能偏向組織定位在一側，另一側對組織黏連具抗性，而二側均可能較大程度或較小程度地顯示出這兩種屬性。文策爾(Wenzel)較凱西(Cassie)佔優勢的情況(或相反的情況)可作為時間函數隨著該外表面經由水解或酶促降解移除而逐漸形成。於特殊情況下，可能在不同的植入物深度調整各種構造尺度之空間頻率，當該植入物之表面層被移除時呈現出改變之空間頻率。
或者，該表面結構可能經過選擇以呈現給該植入物之一側上的組織高表面積(相對於具有低表面積之第二側而言)。
或者，該表面結構可能經過選擇以調整單一植入材料之疏水性，以相對於該植入物之區域或所有側差別性地控制水吸收度、生物降解及藥物洗提。
最後，該表面結構之吸收速率係經過選擇以減輕組織黏連及細菌定植，尤其是在第一時間期中形成生物膜，並在第二時間期中成為平滑、親水性、迅速吸收和非纖維化之材料。
當欲將與生物成分(諸如細胞、血小板、微生物)之交互作用最小化時，通常需要低接觸角滯後及超疏水表面。在生物系統中，必須考慮到將與植入物表面聯結之生活環境的成分，並創建在活體內長期建立凱西(Cassie)、文策爾(Wenzel)或組合狀態所需之關鍵的表面粗糙度遞階多層次結構。
當使用多重結構尺度時，一些尺度可為文策爾(Wenzel)，其他為凱西(Cassie)。在兩種狀態中，該文策爾(Wenzel)狀態具有較低接觸角、較高的接觸角滯後及較低之流動性。在混合之文策爾(Wenzel)-凱西(Cassie)狀態中，可能具有高接觸角及高接觸角滯後。然而，具有結構之固體相對於該交互作用液體之疏水性是非常重要的。
水具有偶極結構，這使得其吸引任何其他帶電荷之物質。帶有過剩電荷之可植入式分子定位在分子上的特定位置使該分子成為親水性。在聚合物的情況中，電荷可使散裝物質結合並擁有宏觀電荷。而在這類宏觀集合物中，這類材料具有強烈的水吸引力。當那些宏觀電荷區與表面結構聯結時，該物質變成超親水性。超親水性一詞在文獻中具有不同的含義，且在許多情況下僅指使物質更親水，或相對於該相同物質之平坦表面的接觸角減少。此處，其係指重讀表面電荷及表面能量從而使得水總是與該基板表面結合，即使有任何特定之水分子可能在聚合物表面上短暫停留。
此臨床優勢在於該植入物表面同時屏蔽蛋白 質黏附且亦可自身清洗，因為水分子隨機黏附表面/從表面脫附。
在植物世界中，大部分具有結構之表面係出現在疏水性基板上。然而，當疏水性流體取代水時，凱西(Cassie)狀態可以很容易地被轉換到文策爾(Wenzel)狀態。但並非總是如此，這取決於該疏水性物質之蒸氣壓力和黏度，以及該被捕捉在表面結構中之空氣可如何快速地消退。
活組織中之氣體與活細胞不兼容，圍繞植入物之氣體能有效地屏蔽細胞附著於植入物，且在大多數情況中經由阻斷吸收信號蛋白來阻斷異物反應。通常，對於化學惰性材料而言，若細胞不能令蛋白質沈積於植入物上以將它標誌為一種異物，則身體對植入物無反應。這產生低炎症、低纖維化及最小包封。在此情況中，纖維化主要係由於手術破壞組織，及接續於閉合後之組織機械破壞。因此，為了保持良好之植入條件，該植入物對細胞蛋白沉積而言必須為惰性、非黏著性，且被相當良好地定位，以使植入物與組織之間不會發生差速運動(differential motion)。
疏水性物質為具有低表面能量之材料。細胞藉由降低材料之表面能量來附著到表面上。材料之高表面能量使細胞黏附於異物。另一方面，較高之表面能量在能量上有利於結合水超過結合蛋白質。因此，最佳生物相容性物質傾向為那些為超疏水性或超親水性物質。活體內較 常為中間型或甚至是兩親性條件，且細胞機制已演化出識別，並排除具有這類性質之異物，產生不欲有之異物反應。
表面能量降低之幅度與異物和沈積之蛋白質及聯結之細胞之間的黏合強度成正比。一般來說，當細胞或細菌定植於異物，其降低異物之表面能量，並使其更疏水。這又是一種漸進策略，使該表面在能量上較不利於其他有機體定植。因此，低表面能量之材料提供很少量之“過量”能量以使細胞強力附著。然而，大多數疏水性材料(例如聚四氟乙烯(PTFE))，係在有利於蛋白質之疏水端與材料結合的範圍內，這主要係藉由留下主要為高張力極性環境所取得之低能量狀態(諸如原位所常見者)。藉由聯結，蛋白質改變形狀，其可能會或可能不會結合至異物表面，但一旦改變形狀，該蛋白質反過來變成異物而發出級聯反應之信號，其中最主要為釋出活性氧物種，此活性氧可以顯著改變該植入物表面之電荷結構。
藉由此機制，蛋白質被疏水性表面強力變性。這是因為蛋白質通常帶有與其保形狀態有關之電荷。一旦蛋白質變性後，其折疊且被視為異物，即使其可能會僅微弱地連接該異物。這可加速一連串細胞性攻擊，包括巨噬細胞、巨細胞、組織細胞及單核吞噬細胞系統中之任一種，此一連串之細胞攻擊開始為異物表面充電，使其適合黏附和封裝。若該植入物表面是可吸收的，該植入物表面重塑造成氧化物種延長攻擊並產生緻密的纖維化。
氣體微層是隔絕異物反應之理想的絕緣體，因為從進化角度來看，氣體幾乎從來不在體內，因此從未發展出排拒氣體的細胞機制。這主要係由於氣體在體內不會長期保持在氣相，且容易地吸收入流體中或被代謝。以類似之電子構造成分取代氣體對保持在似凱西(Cassie)狀態是很重要的。
在體內容易找到之特別穩定的流體為脂質。脂質為適度地疏水且呈現不斷變化的表面，從而使蛋白質黏附受抑制。脂質亦不會將蛋白質變性，因為脂質在體內很普遍，尤其是若這類脂質係從身體本身的細胞環境募集。不像水(其為體內很容易找到之另一種穩定的液體)，脂質不允許細胞導電到植入物表面下層。
許多人工合成之疏水性材料為高度纖維化的原因之一為其同時為疏水性和疏脂性，因而從不會建立保護性外層。同時為疏水性和疏脂性之材料的實例為氟聚合物，例如PTFE。PTFE為具有與金剛石(被脂肪濕潤之高疏水性材料且為親脂性)相反性質之物質。這就是為什麼熱解碳長久以來被尋求作為理想的植入材料。
從醫學實驗得知，接觸角為150度或更小時對減少微生物黏附上並無超越一般疏水性材料(諸如其接觸角約120度之碳氟化合物)的優點。經由採用脂質層，而非氣態層，確認其篩查優點，即使是適度疏水之表面亦減少微生物傳導。
為了使植入物與脂質層相容，必須增加大部 分可吸收之植入物的疏水性。這提出一個難題，因為疏水性表面會強力使蛋白質變性。經由在可吸收之植入物上形成結構，該植入物暴露在體內環境中之表面積的量顯著降低，而該疏水性增加至能夠形成脂質層，但不會誘導分子層級之蛋白質變性的水準。經由選擇合適之表面結構，小部分直接暴露於細胞環境之植入物基本上為親水性且不會透過子尺寸之交互作用引起異物反應。
疏水表面可能藉由處理現有之親水性表面來創建。將材料表面轉換成超疏水性的典型方法包括，例如：1)蝕刻現有之表面以創建特定奈米圖案(在奈米尺寸範圍內之圖案)，再隨後以疏水性塗層塗覆表面。2)使用本技藝中已知之技術將基板表面粗化，並經由施放疏水性塗層將所得之表面功能化。3)以在材料上創建粗糙且疏水性表面的方式，從含有奈米顆粒或聚合物之溶液中長成粗糙(或多孔)薄膜。5)使碳奈米棒之蒸氣沉積在基板上。6)在矽基板上進行光刻或在聚合物基板上進行雷射燒蝕，及7)使電紡纖維沉積在基板上。
在描述本揭露內容之遞階多層次結構時，“突起”係指在巨觀平表面上之任何較高的結構，而“凹陷”係指在巨觀平表面上之任何較低的結構。一般而言，突起和凹陷相對於特定空間尺度而言為成對的，且係成對地報告其維度。例如當報告突起之高度為100微米時，該維度係相對於鄰近之凹陷測量。在工程用語中，測量係從峰測量至谷。橫向測量通常係由峰至峰，或谷至谷，且稱為間 距。
參考第1圖，一般而言，本揭露內容之可植入式假體100係擁有包含微尺度構造102及設置在該微米層級構造102之至少一個表面上的奈米尺度構造110之遞階多層次表面，該微米尺度構造102帶有以幾何圖案設置在基板108之至少一個表面上的多個突起104及凹陷106。類似地，該奈米尺度構造110包含突起112及凹陷114。
微米尺度突起104應足夠高，從而使水滴不會接觸相鄰突起104之間的微米尺度凹陷。在第1圖之實施例中，微米尺度突起104可能包含在約1至約100微米之間的高度H，及在約1至約50微米之間的直徑D，其中該被突起104覆蓋之基板108的表面積部分比可能在約0.1至約0.9之範圍內。奈米尺度之突起112可能包含在1奈米至約1微米之間的高度h，及在1奈米至約0.5微米之間的直徑d，其中該被突起112覆蓋之基板108的表面積部分比可能在約0.1至約0.9之範圍內。奈米尺度之構造110可能主要設置在微米尺度之突起104上，或者主要設置在微米尺度之凹陷106上，或主要是均勻地遍佈在微米尺度構造110上。
相鄰之微米尺度突起104或凹陷106之間的間距P可能在約1至約500微米之範圍內。相鄰之奈米尺度突起112或凹陷114之間的間距p可能在約1奈米至約1微米之範圍內。
遞階多層次結構之排列可能為幾何排列或通常可以數學方程式描述。或者，該遞階多層次結構可能被隨機配置，可能具有不同之間距，此為更典型之自然結構。遞階多層次結構之排列通常可藉由分形維數，F描述。分形維數為當在多重空間尺度上檢查結構時指示一種結構集合體所顯示之空間(在本例中為平面)填充完整度的統計量。例如，分形維數1係描述純幾何線，而分形維數2係描述平面，依此類推。具體指明之分形維數(其本質上為統計性質)並不一定表示該遞階多層次結構被數學方程式充分界定。一般而言，在特定尺度內之構造的隨機安排所擁有之分形維較其中該構造係以數學方式描述表面上之所有點為高的分形維數。因此，隨機結構可能具有之優勢面向在於在本揭露內容之合成構造當與天然表面(諸如組織)交互作用時具有較大的用途。在特定之空間尺度內的較高分形維數可藉由在基板上施加多個間距安排來取得。突起和凹陷可能相對於局部間距而就地衡量。因此，尺度構造內之間距可能有所不同。在實際實現較高之分形維數構造時，間距之變化可能藉數學公式描述，例如間距之正弦變化，此在模仿天然表面中將具有效用。
一般而言，結構可被描述為銳邊或圓形的，且此特性通常不能藉由分形維數捕捉。另一方面，以傅立葉解構這類構造將提供似分形維數。例如，銳邊結構將需要較大數目之正弦波形來描述這類疊加構造。此角落圓度可藉由半徑(R，r)說明其特徵，且在該植入物之平面中， 方向x之圓度相對於方向y之圓度通常不同。
上文中描述之參數未提出之另一構造面向為介於構造之間的連通程度。連通一詞係指構造(諸如突起或凹陷)具有大於間距之空間延展。例如，包圍突起的凹谷可能連接包圍另一突起的另一凹谷，因此該凹陷被稱為連通，而突起則不。連通或連接之程度，c或C(分別為奈米尺度或微米尺度)可藉由在一個方向上之空間延伸範圍(例如Dx)與正交方向之間距(例如Py)的比例量化。因此，Cx=Dx/Py且cx=dx/py。此外，在整個基板表面之連通可以各不相同。該連通可在1至約1000的範圍內，更特別地，該連通可延伸到基板之整個表面。
參考第2a-c圖，在第2a圖中，同心圓構造200包含第一突起202、第二突起204、第一凹谷206和第二凹谷208，且藉由Dx、Dy、Px、Py說明其特徵。注意：在非變動之間距方面，無論定測量峰至峰210或谷至谷212，該間距是相同的。由於該圓形構造，Dx=Dy，Px=Py且D=P，這造成Cx=Cy=1。
現在參考第2b圖，其中該構造為橢圓形230。在此情況中，Dx<Dy且Px<Py。讓4Dx=Dy，4Px=Py且Dx=Px，則Cx=0.25。
現在參考第2c圖，其中該構造為較橢圓形230。在此情況中，Dx<Dy且Px<Py。讓100Dx=Dy，100Px=Py且Dy=Py，則Cx=1/100=0.01。在其中該凹谷變成與連通平行之極限處，Cx→0。
因此，當提及平坦、無結構之層時，凹陷和突起二者均可建構低連通之構造。例如，可將結構壓印在平坦之平表面上，其中這些結構中有些為突起，其他結構為凹陷，突起和凹陷係藉由平坦之平表面上的一些區域分隔。可以創建其中該凹陷具有高連通比，而突起具有低連通比的結構，反之亦然。
建構這些構造之目的為當植入本揭露內容之假體時，創建多種尺度之文策爾(Wenzel)狀態和凱西(Cassie)狀態。本技藝中已知在表面之平面中使用銳角特性可以阻止轉變到文策爾(Wenzel)狀態。然而，天然構造中出現銳角構造(諸如玫瑰花瓣)較不常見。天然構造趨向具有圓表面特性，尤其是圓角或內圓角。在自然界中，抗拒轉換到文策爾(Wenzel)狀態似乎涉及創建內旋的圓形結構，而非銳邊。內旋一詞係指凹面定向在一條線上，而不與基板表面正交。這類構造很難藉由蝕刻或鑄造方法創建，但可以很容易地藉由必須折疊一個構造之雕花方法創建。同樣地，藉由使用相對於直線連通之介於構造之間的彎曲連通可防止文策爾(Wenzel)狀態。在大多數情況下，較高之疏水性等同於較不會轉換到文策爾(Wenzel)。
藉由在凹陷周圍放置外部邊角可增加表面之疏水性。於一些實施例中，此係藉由創建額外之成對的相鄰凹陷壁來取得，這些凹陷壁係投入並在凹陷之內部接合。於一些實施例中，此係藉由設計第一階層規則之凹陷陣列(例如：三角形、矩形、五邊形或六邊形，規則或不 規則的；及通常藉由直線段界定之其他多邊形)來取得。然後，將具較小尺寸且不同階層順序之第二特性疊加在第一圖案之凹陷壁上。用於創建這類構造之方法可能涉及首先雕出奈米構造之圖案，然後再雕出微米構造之圖案。
或者，該基板之電子構造可為疏水性。適合用於植入之疏水性物質包括從脂族或芳族二羧酸與脂族和/或芳族二醇製成之聚酯，例如：從具有2至18個碳原子之的脂族二醇(例如丙二醇、丁二醇、己二醇)和具有3至18個碳原子之二羧酸(例如己二酸和癸二羧酸)合成之聚酯；從雙酚A和上述之具有3至18個碳原子之二羧酸合成的聚酯；及從對苯二甲酸、具有2至18個碳原子之脂族二醇和具有3至18個碳原子的二羧酸合成之聚酯。
該聚酯可選擇性地由具有4至24個碳原子之長鏈一元醇(諸如2-乙基己醇或十八烷醇)終止。此外，該聚酯可能由具有4至24個碳原子之長鏈單羧酸(諸如硬脂酸)終止。在大多數情況下，疏水性係藉由存在極性側鏈基團(諸如羥基)來降低。
或者，含有聚胺酯(urethane)(胺基甲酸酯)或尿素鏈接這些之組合的聚合物或可以經由相對於非結晶相骨架之分子量改變這些鏈接之數目，以及改變骨架之疏水性而變成疏水性。通常，這類聚合物係經由組由二異氰酸酯與醇類和/或胺類來形成。例如，將甲苯二異氰酸酯與二醇和二胺在聚合條件下組合，可提供同時具有聚胺酯鍵聯和脲鍵聯己聚胺酯/聚脲組合物。這類材料通常經由將 二異氰酸酯與具有反應性部分(二醇、二胺或羥基和胺)之聚合物，以及選擇性地，擴鏈劑進行反應來製備。
合適之二異氰酸酯包括芳香族及脂族二異氰酸酯二者。合適之芳族二異氰酸酯的實例包括甲苯二異氰酸酯、4,4’-二苯甲烷二異氰酸酯、3,3’-二甲基-4,4’-聯苯基二異氰酸酯、萘二異氰酸酯及對伸苯基二異氰酸酯。合適之脂族二異氰酸酯包括，例如1,6-六伸甲基二異氰酸酯(HDI)、三甲基六伸甲基二異氰酸酯(TMDI)、反式-1,4-環己烷二異氰酸酯(CHDI)、1,4-環己烷雙(伸甲基異氰酸酯)(BDI)、1,3-環己烷雙(伸甲基異氰酸酯)、異佛爾酮二異氰酸酯(IPDI)和4,4’-伸甲基雙(環己基異氰酸酯)。這些二異氰酸酯中有許多可從市場上購得，諸如Aldrich化學公司(美國威斯康辛州，密爾沃基)或可採用文獻程序，藉由標準之合成方法很容易地製備。
該含醇或胺之聚合物可為二元醇、二胺或彼等之組合。該二醇可為聚(伸烷基)二醇、以聚酯為底之二醇或聚碳酸酯二醇。如本文所使用者，術語“聚(伸烷基)二醇”係指伸烷基二醇之聚合物，諸如聚(伸乙基)二醇、聚(伸丙基)二醇及聚四伸甲基醚二醇。術語“以聚酯為底之二醇”係指諸如乙烯、1,3-丙烯、1,2-丙烯、1,4-丁烯、2,2-二甲基-1,3-丙烯，等之聚合物。熟習本技藝之人士亦將理解該聚合物之二酯部分也可以有所不同。例如，本揭露內容亦考慮使用琥珀酸酯、戊二酸酯，等。
本揭露內容之聚合物可能與生物功能物質組 合。尤其是，具有由結構誘出之抑菌功能的植入物可能經由加入殺菌基團而有利地增強。除了臨床上有用之抗生素外，殺菌劑之實例包括磺胺嘧啶銀(silver sulfadiazine)、洗必泰(chlorhexidine)、戊二醛(glutaraldehyde)、過酯酸(peracetic acid)、次氯酸鈉(sodium hypochlorite)、酚、酚化合物、碘伏化合物(iodophor compounds)、季銨化合物及氯化合物。
製造本揭露內容之可植入式假體的方法包括光刻、鑄造、擠壓/圖案浮雕加工，以及用於將結構轉移至表面的數種方法中的任一種。較好之方法為圖案浮雕加工。現在參考第3圖，將聚合物質加熱至熔融狀態，並通過雙滾筒(其中至少有一個包含所需之雕花構造的負像)。在第3圖之情況中係將奈米尺度之結構302在形成之平面板300上進行雕花(如第3a圖所示)。如第3b圖所示，將形成之板300加熱至可塑，但非流體狀態，並通過具有微米尺度結構306之雙滾筒304(其壓印相反之圖像)。相對於該奈米尺度之結構302，微米尺度之結構306為大結構，因此，壓印之微米尺度結構306折疊該奈米尺度結構302，而產生可能之內旋結構308，此內旋結構通常無法以光刻或鑄造方法取得。如第3圖中描述之方法可能藉由從不具有結構之一側加熱來改良，如此該具有結構之一側較涼，且該奈米尺度之結構較不可能經由在奈米尺度之結構上壓印微米尺度之結構而變形。
除非另有規定或由參考之上下文明確暗示與 此相反，本揭露內容之所有單數特性或限制之引用應當包括對應之複數特性或限制，反之亦然。
除非另有說明或由參考之組合的上下文明確暗示與此相反，如本文所使用之所有方法或過程步驟之組合可以任何順序執行。
本揭露內容之方法和組合物(包括彼等之元件)可包含本文所描述之實施例的必要元素和限制，以及本文所描述之任何額外或選擇性成分、組分或限制、或其他有用於可植入式醫療裝置中者，由上述者所組成，或基本上由上述者所組成。
如本文所使用之術語“約”應解釋為係指具體指定之兩個數目範圍內的任何數目。提及之範圍應被視為對在該範圍內之任何子集提供支持。
提供之實例係用於說明本揭露內容之營養組成物的一些實施例，但不應該被解釋為對本揭露內容之營養組成物的限制。熟習本技藝之人士在考量此處所揭露之實施例的詳細說明或實行後可清楚明白在本發明所主張之權利範圍內的其他實施例。本專利說明書，連同該實例僅用於示例，本揭露內容之範圍和精神係由接續於實例後之申請專利範圍指明。
以下為一些實例。在這些實施例中，下列變量將用於描述表面結構。大寫字母之變量表示大規模測量之變量，小寫字母之變量表示小規模測量之變量。經由外推可預期包含超過兩種結構尺度之結構。高度(H)係在具 最大連通(C)值之構造上測量，不論其為正(突起)或負(凹下)構造。變量x及y表示該裝置之表面平面或接觸組織之表面平面中的正交坐標系。與括號中之另一變量聯結之變量表示第一個變量為第二個變量之函數，例如F(x)表示作為空間維數x之函數而變化的分形維數。
H,h=高度，經由測量與表面之平面正交的峰至谷之距離取得
D,d=直徑，經由測量表面之平面中，2X側峰至谷(x和y值)取得
P,p=間距，經由測量表面之平面中，峰至峰(x和y值)取得
F,f=分形維數
R,r=邊角半徑(x和y值)
C,c=連通性
實例1：D不等於P
高度為H之規則配置的突起或凹谷，其中該突起或凹谷之直徑D與這類構造間之間隔P不同。
實例2：正弦變化之高度
高度H(x,y)=Asin(x,y)之規則配置的近似圓錐形突起或凹谷，其中sin(x,y)可表示sin(x)+sin(y)、sin(x)sin(y)、sin(xy)、sin(x+y)。
實例3：D(x)及P=常數
具不同直徑D(x,y)=Asin(xy)以及突起或凹谷之間為恆定距離P之規則配置的近似圓錐形突起或凹谷。
實例4：P(x)及D=常數
具不同間距P(x,y)=Asin(xy)以及恆定之突起或凹谷直徑D的規則配置的近似圓錐形突起或凹谷。
實例5：柯赫(Koch)雪花
從近似圓錐形突起或凹谷開始，再依下述遞歸改變各突起或凹谷所構成之表面：
1.繪製兩條線段，從峰至谷，以正交方式與高峰相交
2.將每個線段劃分成長度相等的三段。
3.將圓錐形突起或凹谷放置在步驟2中之各個中間線段的中心
4.在步驟3之突起或凹谷處重複步驟1-3所得之形狀顯示在第7圖中之橫截面，分形維數F=1.26。
實例6：謝爾賓斯基(Sierpinski)墊片
用於取得任意近似謝爾賓斯基三角形之算法如下
1.以最大尺寸之三角形鋪砌植入物表面
2.將三角形縮小成1/2高及1/2寬，製造三個複本並將該三個收縮三角形放置成使每個三角形碰觸其他兩個三角形 之角。
3.注意出現中心孔(第4圖)
4.將第2步驟應用在最大之剩餘的三角形以四面體或圓錐取代三角形，無論是正或負(第4圖)。所得之構造具有分形維數F=1.59。
實例7：阿波羅(Apollonian)墊片
以三個圓形C 1、C 2和C 3鋪砌植入物表面，每一個圓與其他兩個圓相切(在一般結構中，此三個圓可為任何尺寸，只要其具有共同切線)。阿波羅尼奧斯(Apollonius)發現另有兩個不相交之圓，C 4和C 5，其具有與所有三個原始之圓相切的性能-這些被稱為阿波羅圓。將此兩個阿波羅圓加入原來的三個圓，我們現在有五個圓(第5圖)。取兩個阿波羅圓之一-比如說C 4。其與C 1和C 2相切，如此，該三重態之圓C 4、C 1和C 2本身具有兩個阿波羅圓。我們已知其中之一-其為C 3，而另一為新圓C 6。
依類似方式，我們可建構另一個新圓C 7，其與C 4、C 2和C 3相切，而另一圓C 8來自C 1、C 3和C 1。這為我們提供3個新圓。我們可從C 5建構另外三個新圓，共產生6個新圓。連同圓C 1至C 5，全部共產生11個圓。以此方式分階段持續建構，我們可以在階段n加入2．3n個新圓，在n個階段後共產生3n+1+2個新圓。在極限情況下，此組圓為阿波羅墊片。該阿波羅墊片之分形維數F=1.3057。這些圓可被正或負圓錐取代。
實例8：擴散限制聚集
將植入物表面劃分成具正方形小室之近似圓形網格。圓形中心處之小室為種子點的位置。現在挑選一個在網格周邊上的正方形並在該方格上放置隨機功能。隨機地，將該功能狀態推進至相鄰之四個正方形之一。若此功能脫離，植入物表面之另一個種子點啟動，則隨機在邊緣選擇。當該功能到達鄰接該種子點的四個正方形之一，其停留在那裡形成兩個種子點之集群，各釋出一個新功能。持續以此方式建造集合體(說明於第6圖中)。現在，以突起或凹谷取代該線性圖形，一般而言，這些結構係被刻在較大尺度之錐形突起或凹谷結構上。
實例9：製成疏水性以減少異物反應之可吸收的親水性可植入物
哺乳動物體內之細胞識別異物時需要已被異物變性之蛋白質吸附。蛋白質吸附引發各種用於排除或圍住異物之細胞機制。因此，親水性材料一般都較具生物相容性，並經由降低異物反應之程度減少纖維化。然而，可吸收之材料(即使其相當親水)由於不斷改變表面及釋出離子物種因而可觸發異物反應。在此實例中係採用激活蛋白變性，但不使其黏附於植入物之策略。
疏水性材料之“疏水效果”為球狀蛋白質在水中折疊的主導力量。折疊的發生係由於蛋白質分子上之相 當疏水性側鏈。疏水性交互作用之特徵在於取得大量熵，這通常會導致水分子從疏水性組分釋出，伴隨相當小之焓變。然而，當親水性材料具有誘導疏水效果的表面結構時，該反應之第二部分(水釋出)被水與親水性材料之間的極性交互作用抑制。
因此，兩種尺度之突起，近似柱狀或錐形為較佳者。參考第8圖，與組織801交界之具有結構的表面800包含第一尺度突起802和第二尺度突起804。水層806填滿第一尺度之凹谷808。空氣810及稍後的脂質812圍繞第二尺度樣貌。蛋白質814與疏水性空氣810或脂質812尖端物及折疊816交互作用。由於水806被強力保持在凹谷808中，具有結構之表面800的表面能量降低而使蛋白質吸附受抑制。
實例10：製成疏水性以降低吸收速率之可吸收的親水性可植入物
本揭露內容關於親水性之可植入式、可吸收板，其可能在原位膨脹甚至溶解，藉由添加疏水性結構可降低在原位之吸收速率或保形變化。
因此，兩種尺度之凹陷，近似柱狀或錐形為較佳者。參考第9圖，與組織901交界之具有結構的表面900包含第一尺度凹陷902和第一尺度突起903，以及第二尺度凹陷904。水層906僅與由第一尺度902和第二尺度904構造所形成的脊908交互作用。空氣910及稍後的 脂質912圍繞第二尺度特點。因此，該呈現給水之表面積被顯著減少。
實例11：製成親水性以減少異物反應之可吸收的疏水性可植入物
或者，本揭露內容關於生理上可吸收的，一般為纖維化之疏水性材料，其在第一間隔期間經由加入表面結構而被製成相對親水性。
因此，具有較高之連通數及迂曲性之兩種尺度的脊為較佳者。參考第10圖，具有結構之表面1000包含第一尺度脊1002及正交排列之第二尺度脊1004。水層1006通過毛細作用1008首先進入小尺度脊1004，其排水1010進入大尺度脊1002。最終整個植入物表面被塗覆一薄層水，此不具表面結構水層將已被蛋白質塗覆。
實例12：製成親水性以增加吸收速率之可吸收的疏水性可植入物
或者，本揭露內容關於在體內不會快速吸收之疏水性可植入板，經由添加親水性構造可將其製成被更迅速地吸收。因此，兩種高度尺度之柱狀物為較佳者。參考第11圖，與組織1001交互作用之具有結構的表面1100包含第一尺度柱狀物1102及介於這些之第二尺度柱狀物1104。第一尺度柱狀物形成空間1106，此空間誘出毛細作用1108，並在該植入材料溶解在水1110中時主動 打水1108到空間1106中。第二尺度柱狀物1104形成較小之空間1112，此空間進一步驅動水1114更深入基板。因此，與水接觸之表面積顯著增加。
實例13：具有一側較另一側更可吸收之可植入式裝置
提供具有一側為帶有實例10之表面結構，且另一側為帶有實例12之表面結構的可植入式裝置。
實例14：具有一側較另一側對黏附更具抗性之可植入式裝置
提供具有一側為帶有實例9之表面結構，且另一側為帶有實例11之表面結構的可植入式裝置。
實例15：具有至少一側立即黏附組織的可植入式裝置
手術屏障植入物阻斷相鄰組織層之組織黏附。由於其抗黏附功能，其趨向在被植入後移動，因此需要縫合或以釘針定位。然後，這些定位點成為組織黏附之病灶。文策爾(Wenzel)和凱西(Cassie)狀態之組合創建其特徵為大的接觸角滯後的凱西(Cassie)濕潤狀況。因此，這些結構在能量上不利於在整個表面上滑動。
參考第12圖，與組織1201交互作用之Cassie濕潤結構1200包含第一尺度突起1202和與突起1202成軸向且分佈在周圍之第二尺度脊1204。當被放置在組織上時，脊1204進入文策爾(Wenzel)狀態。藉由突 起1202創建相鄰之凱西(Cassie)狀態可防止文策爾(Wenzel)狀態在該植入物之平面中移動。
實例16：具親脂性/親水性過濾效果表面之可植入式裝置
例如，其中第一物質或構造與植入物之接觸較另一物質或構造更密切的表面過濾效果。密切一詞係由空間尺度定義。具有實例14的表面結構之植入物(其中該植入物基板為強疏水性)，使得大尺度凱西(Cassie)構造優先充填脂質，而小尺度文策爾(Wenzel)構造優先充填水。因此，在植入物和組織之間的薄界面層中，該包含水和脂質段之異質液體分開，從而使得該水部分定位在文策爾(Wenzel)部位，而該脂質部分定位在凱西(Cassie)部位。
實例17：具細胞類型過濾效果表面之可植入式裝置
根據差異黏附假說(differential adhesion hypothesis)(有時稱為“熱力學假說”)，在混合之聚集體中的異型細胞可根據表面化學和結構分類成同型區。該假說將組織當作黏彈性液體，因此每種細胞類型擁有具特性之組織表面張力。不同的表面張力引起分類行為。相對於具有較低表面張力之組織，具有較高表面張力之組織類型佔據植入物表面上的內部位置。在同型和異型黏附中之定量差異應該足以造成此現象，而不需要假設細胞類型特異性黏附系統。
此性能可應用於細菌物種以及細胞類型。因 此，當需要某種細胞類型，而不需要其他類型的細胞時，該表面結構可經壓印適當之表面能量印記。例如，在欲排拒炎症細胞(諸如巨噬細胞、巨細胞，一般為球形)，而有利於一般為圓柱型之細胞(諸如肌肉細胞和內皮細胞)的應用中。圓柱型細胞通常比球形細胞具有較高之表面張力。因此，我們可創建通常較球形構造具有較中軸之構造的分類表面，從而使圓柱形細胞在能量上有利於黏附。
參考第13圖，細胞分類表面1300包含通常為半球形突起的中心1302(其具有中央凹洞1304和徑向、緊密之隔開的脊1306)。中心1302係排列在由第一特點距離A分開的列1308中。在列1308內之中心1302規律地相隔著第二特點距離B。脊1306間之距離為第三特點維數C。特點距離A、B、C之組合決定何細胞類型與植入物表面聯結。
中心1302藉由具有正交較小尺度之脊的脊1306連接。較大尺度之脊1306被排列成近似等距地隔開。這造成中心1302與在接近中心1302的空間中之徑向結構1312之間的平行結構1310。中心1302藉由脊1306連接。該連通之典型方向為，例如列1308之方向，但其亦可為垂直和對角向。
實例18：具組織類型過濾效果表面之可植入式裝置
在基板植入物之至少一側上佈置結構，從而使相對疏水之組織構造被吸引，而親水性組織構造被排 拒。例如，蛋白質和脂肪之相對疏水性組織成分被吸引，而親水性構造，諸如血清、滲出物及大部分潤滑及大量含水之成分被排拒，從而使植入物在原位定位。
參考第14圖，具有結構之表面1400包含被相對狹窄之脊1404分開的六角形凹陷1402。凹陷1402之內部的表面之迅速變成圓形，其表面上被放置數個一般為圓形輪廓之同等空間、同心、起伏之同心脊1406。中心為花瓣構造1408，該花瓣數目相當於在相鄰脊構造1406中之循環數。在脊1404上為分裂成圓形脊1412之圓周脊1410，該圓脊1412對應於相鄰之起伏脊1406的循環1414。脊1406之間的空間可選擇性地以正交細微尺度脊構造1416裝飾。
實例19：具細菌黏附抗性之可植入式裝置
在與宿主細胞和微生物交互作用前，生物材料和醫療裝置立即且自發地取得宿主蛋白層。在此實例中，注意力係針對限制微生物黏附，但該原則可以同樣地應用到減少組織黏附之表面。
經吸附之蛋白質的類型、含量及表面構型為決定何種存活物質黏附在植入物表面上的關鍵因素。相反地，這些經表面吸附之蛋白質的類型、濃度和構型係取決於支配細胞(尤其是微生物、單核細胞和巨噬細胞)黏附和存活的生物材料的表面性質。經吸附之蛋白質與存在於微生物和發炎性細胞群上之黏附受體的交互作用構成生物主 要之識別可植入式合成材料的系統。經吸附之蛋白質(諸如白蛋白、纖維蛋白原、補體、纖維黏連蛋白(fibronectin)，玻璃黏連蛋白(vitronectin)、γ球蛋白，等)之存在促成微生物定植、炎症細胞交互作用及組織黏附。微生物定植與炎症和傷口癒合過程相關連並不令人驚訝。傳信之經吸附的蛋白質亦可能自發地解吸附，即，Vroman效應。蛋白質吸附/解吸附順序為微生物發展出辨認及開拓的順序。
蛋白質吸附背後之主要驅動力包括：表面能量、分子間作用力、疏水性及離子或靜電交互作用-其均被表面結構修改。蛋白質吸附中之四種基本類別的力量和交互作用為：1)離子或靜電交互作用、2)氫鍵、3)疏水性交互作用(主要為熵方式驅動)，及4)電荷轉移或顆粒電子供體/受體類型之交互作用。
除了異物原位傳信之面向外，細胞/細菌黏附主要係由表面能量介導。也就是說，起動一個反應是不足以維持一個反應。具細菌抗性之植入物的目標係將表面能量程式轉移成細菌結合組織或其自身的親和力。結合至組織需要在能量上有利於結合植入物的表面。更具體地說，若微生物會定植在植入物表面，該保護性生物膜較宜為能量上不利散佈的。在不利之情況下，逐漸發展的生物膜傾向於成為球形，這使生物膜表面包封細菌菌落並降低菌落與植入物表面接觸之面積。
雖然許多先前之實例具有抑菌或抗細菌黏附 功能，參考第15圖，其中描述一種較佳之實施例。抗微生物表面1500包含多個可為任何構型之凹陷1502，例如圓柱、圓錐、方形、六角形。該凹陷1502之內表面係以奈米尺度之構造裝飾，該奈米尺度之構造使疏水性最大化和表面能量最小化，如此，雖然微生物黏附宜在凹陷處，因為該凹陷處屏蔽微生物避開巨噬細胞，在凹陷處內之表面能量被如此降低而使該微生物僅微弱地黏附。此外，在該凹陷處之微生物黏附會改變局部表面能量，並指引巨噬細胞到達被佔據之凹陷處。因此，巨噬細胞可輕易地浸潤該凹陷處並排除新生之微生物菌落。該奈米尺度結構為排列在周圍及軸向之脊1504，這些表面增強該凹陷1502之內表面的疏水性。圍繞凹陷1502的為以正弦脊1508修飾之圓脊1506。正弦構造減少從凹陷1502逐漸發展出之生物凝膠與植入物表面之圓形接觸界面(低能量)，從而使其成為能量上不利且不穩定的。尤其是，該生物膜之增殖受到抑制。被正弦脊圍住之凹陷之間的區域可能以上述任何實例裝飾。
實例20：具細菌黏附抗性之可植入式裝置
其中採用表面過濾效果之抗微生物表面中，其中在基板植入物之同一側或對側上排拒具某種尺度或極性特徵的物種並吸引另一具某種尺度或極性特徵的物種，或兩者均被排拒，或兩者均被吸引。例如，植入物之一側係排拒細菌並吸引組織之組分，而在另一側係排拒細菌且 排拒組織之組分。
實例21
從其中該基板為具三維互連孔之多孔性基板的上述實例(其中有些為具有上述結構的代表)所製成之植入物。
實例22
其中該結構以階梯式輪廓線部署之上述任何植入物。
實例23
具有半開放式構造之上述任何植入物，該半開放式構造中之遞階多層次結構係位於交叉元件上，從而使該半開放式構造本身包含一種結構。
實例24
具有包埋之纖維及從聚合物基板突出之上述任何植入物，該纖維可依佈置在壁虎腳上之纖維式樣在許多空間尺度上分叉。
實例25
具有兩端連接聚合物基板之纖維，而藉此決定具有至少兩種長度尺度之環、該環之半徑的上述任何植 入物。
實例26 效力研究
以下為在本揭露內容之花瓣構造上進行的效力研究，尤其是黏附性方面。測試多種鑄造材料，包括：燙蠟、在甲苯中之蠟、指甲油、熱熔膠、氰基丙烯酸酯、石膏、PLA708(Boehringer-Ingelheim)及硝酸纖維素(pyroxylin)。只有後兩者成功，硝酸纖維素在重現花瓣表面方面最可靠。
以少量正像PLA基板進行有限之剪切測試。該程序包含形成負硝酸纖維素鑄型，將PLA丙酮溶液倒在該負鑄型上，並以乙醇溶解掉硝酸纖維素部分。
在微觀分析中，極難查看原始鑄型狀態之花瓣構造。紅色食用色素僅在對造影不透光之表面上創建珠子。然後，將紅色食用色素與兩親性表面活性劑Triton X(其同時具有疏水端和親水端)混合，從而可定位以適應與它交互作用之表面。這產生非常有趣的結果。
此研究中之所欲變量的數目很多，而該測試物品難以製造。然而，這些為具有足夠之統計力的變量：負結構相對於正結構、硝酸纖維素相對於PLA(硝酸纖維素之疏水性較PLA差)、動態相對於靜態剪切、在水環境中相對於濕性環境。
在初步測試中發現該鳴響聲之強度非常低。 測量鳴響聲之強度的嘗試失敗了。指定材料之光滑表面與具花瓣結構表面之間的剝離強度之差異很明顯，但無法以現有的裝置測量。在所有情況中，該力量為小於1克。然而，該剪切強度明顯。因此，很明顯地，在剪切評估過程中確認正交力量未施放在測試物上是很重要。因此，構建重量為約0.5克之1公分圓盤，以氰基丙烯酸酯將測試物安裝在該圓盤上。此確保該測試物沒有經歷正交力量。鑒於從花瓣表面積撥出液滴比使液滴在整個表面上滾動容易得多，剝離強度非常低並不令人驚訝。在臨床上，這不會是一個問題，因為一旦將手術部位關閉，則會有巨大之正交壓力，這可能會大為增強對剪切之抗性。剪切強度對平滑表面之效力大為不同，如在初始之花瓣測試中所看到者，施用正交力量僅線性地，而非拋物線式地增加對剪切之抗性。因此，不需要測試硝酸纖維素與PLA之間的平滑表面差異來測試。
評估機械定位特性。購買牛“排”肉片並切成3厘米立方體，並貼在局部化之平台上。以22℃之生理鹽水溶液將肉保持充分水合。將測試物品切成1×1厘米之正方形並安置在其上連接著細絲的圓盤上，透過該細絲可將力施加在該測試物品上。經由將該長條置於3厘米立方體肉塊上並將其以水平方向拉至表面以測量剪切。因此，這些測量產生每單位面積(1平方厘米)的力量。
在初步測試中，立即之剪切力相對於1小時後並無顯著差異。因此，沒有可觀察之飽和效應，且在不 同的時間間隔未測量剪切。
測試兩種濕潤情況。在一種情況中，將組織表面保持濕潤以複製正常之手術條件(碰觸濕潤)，但無積水。於另一種情況中，將組織和測試物品浸泡在水中。圓盤支撐之浮力非常小。然而，為了在水中測試，採用較為複雜之滑輪系統，在水中測試時最壞的情況下應會產生較低之剪切力，因為對剪切之抗性將使連通至傳感器之效率較低，從而測得較低之力量。
在所有測量中，拋棄明顯之異常點，並在可能的情況下以額外之測試物品重複進行。
使用Instron Mini 55來記錄力量，該十字頭之速度為0.1厘米/秒。負載之細胞限制為200克，精確度為+/-0.1克。
拖拉測試：
將所有測量值四捨五入至最接近的克。所有測量值係以0.5克圓盤完成。所有測量均以新鑄模進行以避免結構填充，但厚度之變化可能促成變量變化。在可能的情況下，比較不同屬性之實驗係以在相同時間之鑄造物進行，以避免在澆鑄溶液或周遭條件中的變化。結果描述於表1-4中。
100‧‧‧可植入式假體
102‧‧‧微米尺度構造
104‧‧‧突起
106‧‧‧凹陷
108‧‧‧基板
110‧‧‧奈米尺度構造
112‧‧‧突起
114‧‧‧凹陷

Claims (40)

  1. 一種可植入式醫療裝置，其在基板上包含至少兩種表面結構，其中在植入宿主組織時，該表面結構與存在於宿主組織中之液體形成界面，其中第一表面結構捕捉介於該裝置與組織之間的空氣來形成第一界面；且第二表面結構不捕捉介於該裝置與該宿主組織之間的空氣來形成第二界面；其中該界面具有至少5度之接觸滯後角。
  2. 如申請專利範圍第1項之可植入式醫療裝置，其中在約5分鐘至約12小時之一段時間後，該界面包含：a)固體親水相，b)液體疏水相，及c)液體親水相。
  3. 如申請專利範圍第1項之可植入式醫療裝置，其中該被捕捉之空氣在約5分鐘至約12小時之一段時間後被液體疏水相取代。
  4. 如申請專利範圍第1項之可植入式醫療裝置，其中該表面結構包含親水性可吸收材料，其中該親水性可吸收材料藉由該表面結構而成為親水性較差，且該表面結構降低該醫療裝置在該宿主組織中的吸收或保形變換(conformal change)速率。
  5. 如申請專利範圍第1項之可植入式醫療裝置，其中該表面結構包含疏水性可吸收材料，其中該疏水性可吸收材料藉由該表面結構而成為疏水性較差，且該表面結構增加該醫療裝置在該宿主組織中的吸收或保形變換速率。
  6. 如申請專利範圍第1項之可植入式醫療裝置，其中該至少一種表面結構包含可吸收材料，其中該至少一種表面結構藉由吸收改質，從而使該至少一種表面結構在該醫療裝置被吸收時變得a)較濕潤或b)較不濕潤。
  7. 如申請專利範圍第1項之可植入式醫療裝置，其中該表面結構在宿主組織中之吸收速率減輕在約5分鐘至6小時之第一時間期之間的組織黏附、細菌定植和/或生物膜形成，且其中該表面結構在約30分鐘至約12小時之第二時間期之間變成光滑、親水性、迅速吸收及非纖維化材料。
  8. 如申請專利範圍第1項之可植入式醫療裝置，其中至少一種表面結構包含為10奈米至1微米之較小間距，且至少一種表面結構包含為2微米至100微米之較大間距，其中該較小間距表面結構係設置在較大間距表面結構上，其中至少一個界面排拒第一組織物種附著，而另一界面促進第二組織物種附著。
  9. 如申請專利範圍第8項之可植入式醫療裝置，其中該第一組織物種為微生物，而該第二組織物種為宿主細胞。
  10. 如申請專利範圍第8項之可植入式醫療裝置，其中該第一組織物種為蛋白質，而該第二組織物種為宿主組織。
  11. 如申請專利範圍第8項之可植入式醫療裝置，其中該第一組織物種為宿主組織，而該第二組織物種為內皮 細胞。
  12. 如申請專利範圍第1項之可植入式醫療裝置，其中一層水黏附該裝置之表面結構，且相對於無該表面結構之裝置，該水層降低蛋白質分子吸附至表面結構之速率。
  13. 如申請專利範圍第1項之可植入式醫療裝置，其中該基板為多孔基板。
  14. 如申請專利範圍第1項之可植入式醫療裝置，其中該第一表面結構在植入宿主組織時形成凱西(Cassie)狀態，且該第二表面結構在植入宿主組織時形成文策爾(Wenzel)狀態。
  15. 如申請專利範圍第1項之可植入式醫療裝置，其中至少一種該表面結構包含包埋在基板中並從基板突出之纖維，且該纖維在至少一個與該裝置上之其他表面結構之間距不同的空間尺度上至少分叉一次。
  16. 如申請專利範圍第1項之可植入式醫療裝置，其中至少一種該表面結構包含包埋在該基板中之兩端的纖維，從而使該纖維形成從基板突出的環，其中該纖維具有至少一種與該醫療裝置上之其他表面結構之間距不同的直徑。
  17. 如申請專利範圍第1項之可植入式醫療裝置，其中至少一種表面結構包含柯赫(Koch)雪花圖案。
  18. 如申請專利範圍第1項之可植入式醫療裝置，其中至少一種表面結構包含謝爾賓斯基(Sierpinski)墊片圖案。
  19. 如申請專利範圍第1項之可植入式醫療裝置，其中至少一種表面結構包含阿波羅(Apollonian)墊片圖案。
  20. 如申請專利範圍第1項之可植入式醫療裝置，其中至少一種表面結構包含擴散限制聚集圖案。
  21. 一種可植入式醫療裝置，其包含兩側，每一側包含在基板上的表面結構，其中在植入宿主組織中時，該表面結構與存在於宿主組織中之液體形成界面，其中至少一種表面結構捕捉介於該裝置與組織之間的空氣，且至少一種其它表面結構不捕捉介於該裝置與組織之間的空氣，且其中由此所得之界面在該裝置之一側上產生至少5度之接觸滯後角並在該裝置之另一側上產生小於5度之接觸滯後角。
  22. 如申請專利範圍第21項之可植入式醫療裝置，其中在約5分鐘至約12小時之一段時間後，該界面包含：a)固體親水相，b)液體疏水相，及c)液體親水相。
  23. 如申請專利範圍第21項之可植入式醫療裝置，其中該被捕捉之空氣在約5分鐘至約12小時之一段時間後被液體疏水相取代。
  24. 如申請專利範圍第21項之可植入式醫療裝置，其中至少一側包含親水性可吸收材料，其中該親水性可吸收材料經由加入該表面結構而成為親水性較差，且該表面結構降低該醫療裝置在宿主組織中的吸收或保形變換速率。
  25. 如申請專利範圍第21項之可植入式醫療裝置，其中至少一側包含疏水性可吸收材料，其中該疏水性可吸收 材料藉由該表面結構而成為疏水性較差，且該表面結構增加該醫療裝置之原位吸收或保形變換速率。
  26. 如申請專利範圍第21項之可植入式醫療裝置，其中在至少一側上之至少一種表面結構包含可吸收材料，其中該至少一種表面結構藉由吸收改質，從而使該至少一種表面結構在該醫療裝置被吸收時變得a)較濕潤或b)較不濕潤。
  27. 如申請專利範圍第21項之可植入式醫療裝置，其中該表面結構在該宿主組織中之吸收速率減輕在約5分鐘至約6小時之第一時間期之間的組織黏附、細菌定植和/或生物膜形成，且其中該表面結構在約30分鐘至約12小時之第二時間期之間變成光滑、親水性、迅速吸收和非纖維化材料。
  28. 如申請專利範圍第21項之可植入式醫療裝置，其中至少一側包含至少二種表面結構，其中至少一種表面結構包含為10奈米至1微米之較小間距，且第二表面結構包含為2微米至100微米之較大間距，其中該較小間距表面結構係設置在較大間距表面結構上，其中當該醫療裝置被植入時，至少兩個與有活組織接觸的界面形成，其中至少一個界面排拒第一組織物種附著且至少一個其他界面促進第二組織物種附著。
  29. 如申請專利範圍第28項之可植入式醫療裝置，其中該第一組織物種為微生物，而該第二組織物種為宿主細胞。
  30. 如申請專利範圍第28項之可植入式醫療裝置，其中該第一組織物種為蛋白質，而該第二組織物種為宿主組織。
  31. 如申請專利範圍第28項之可植入式醫療裝置，其中該第一組織物種為宿主組織，而該第二組織物種為內皮細胞。
  32. 如申請專利範圍第21項之可植入式醫療裝置，其中一層水黏附該裝置之表面結構，且相對於無表面結構之裝置，該水層降低蛋白質分子吸附至表面結構之速率。
  33. 如申請專利範圍第21項之可植入式醫療裝置，其中該基板為多孔基板。
  34. 如申請專利範圍第21項之可植入式醫療裝置，其中至少一種表面結構在植入該宿主組織時形成凱西(Cassie)狀態，且至少一種其他表面結構在植入宿主組織時形成文策爾(Wenzel)狀態。
  35. 如申請專利範圍第21項之可植入式醫療裝置，其中至少一種該表面結構包含包埋在基板中並從基板突出之纖維，且該纖維在至少一個與該醫療裝置上之其他表面結構之間距不同的空間尺度上至少分叉一次。
  36. 如申請專利範圍第21項之可植入式醫療裝置，其中至少一種該表面結構包含包埋在該基板中之兩端的纖維，從而使該纖維形成從基板突出的環，其中該纖維具有至少一種與該醫療裝置之其他表面結構之間距不同的直徑。
  37. 如申請專利範圍第21項之可植入式醫療裝置，其中至少一種表面結構包含柯赫雪花圖案。
  38. 如申請專利範圍第21項之可植入式醫療裝置，其中至少一種表面結構包含謝爾賓斯基墊片圖案。
  39. 如申請專利範圍第21項之可植入式醫療裝置，其中至少一種表面結構包含阿波羅墊片圖案。
  40. 如申請專利範圍第21項之可植入式醫療裝置，其中至少一種表面結構包含擴散限制聚集圖案。
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